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Engineering

Asfalto avançado de auto-cura reforçado por estruturas de grafeno: uma visão atomística

Published: May 31, 2022 doi: 10.3791/63303
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Department of Architecture and Civil Engineering, City University of Hong Kong
* These authors contributed equally

Summary

O nanocomposto asfáltico modificado por grafeno mostrou uma capacidade avançada de auto-cura em comparação com o asfalto puro. Neste protocolo, foram aplicadas simulações de dinâmica molecular para entender o papel do grafeno no processo de auto-cura e explorar o mecanismo de auto-cura dos componentes asfálticos a partir do nível atomístico.

Abstract

O grafeno pode melhorar as propriedades de auto-cura do asfalto com alta durabilidade. No entanto, os comportamentos de auto-cura do nanocomposto asfáltico modificado pelo grafeno e o papel do grafeno incorporado ainda não estão claros nesta fase. Neste estudo, as propriedades de auto-cura do asfalto puro e do asfalto modificado pelo grafeno são investigadas através de simulações de dinâmica molecular. São introduzidas anéis asfálticos com duas larguras de fenda e locais para grafeno, e as interações moleculares entre os componentes asfálticos e a folha de grafeno são analisadas. Os resultados mostram que a localização do grafeno afeta significativamente os comportamentos de auto-cura do asfalto. O grafeno perto da superfície da rachadura pode acelerar muito o processo de auto-cura interagindo com as moléculas aromáticas através do empilhamento π-π, enquanto o grafeno na área superior da ponta de crack tem um pequeno impacto no processo. O processo de auto-cura do asfalto passa pela reorientação de moléculas aromáticas asfálticas, polares e nafthene, e a ponte de moléculas saturadas entre superfícies de crack. Essa compreensão aprofundada do mecanismo de auto-recuperação contribui para o conhecimento do aprimoramento das propriedades de auto-cura, o que ajudará a desenvolver pavimentos asfálticos duráveis.

Introduction

A deterioração sob cargas diárias de veículos e condições ambientais variantes, e o envelhecimento do asfalto durante o serviço resultam em degradação ou mesmo falhas estruturais, ou seja, rachaduras e raveling, o que pode enfraquecer ainda mais a durabilidade dos pavimentos asfálticos. A resposta inerente do asfalto para reparar micro rachaduras e vazios automaticamente ajuda a se recuperar de danos e restaurar a força1. Essa capacidade de auto-recuperação pode prolongar consideravelmente a vida útil do asfalto, economizar custos de manutenção e reduzir a emissão de gases de efeito estufa 2,3. O comportamento de auto-recuperação do asfalto geralmente depende de vários fatores influenciadores, incluindo sua composição química, o grau de dano e as condições ambientais4. Deseja-se a capacidade de auto-recuperação melhorada do asfalto que possa curar totalmente os danos em um curto período de tempo; isso tem atraído amplo interesse de pesquisa em melhor desempenho mecânico e durabilidade para pavimentos asfálticos dentro da engenharia civil.

Novos métodos para melhorar a capacidade de auto-recuperação do asfalto incluem principalmente três abordagens - indução de aquecimento, cicatrização de encapsulamento e incorporação de nanomateriais - que podem ser aplicadas individualmente ou simultaneamente5,6. O aquecimento indutor pode melhorar significativamente a mobilidade do asfalto e ativar sua auto-cura para recuperação7. A tecnologia de auto-cura do asfalto induzindo o aquecimento pode ser atribuída à técnica de auto-cura assistida, o que indica que as propriedades de auto-cura do asfalto são melhoradas por estímulos externos. O objetivo de adicionar as fibras de lã de aço é melhorar a condutividade elétrica de modo a aumentar a capacidade de cicatrização do aglutinante asfáltico8. A abordagem para induzir o calor é expor essas fibras eletricamente condutoras ao campo eletromagnético alternado de alta frequência, que pode induzir correntes eddy, e a energia térmica pode difundir no aglutinante asfáltico pelas fibras condutoras9. As fibras de lã de aço aumentam não apenas a condutividade elétrica, mas também a condutividade térmica, ambas podem afetar positivamente as propriedades de auto-cura do asfalto. No entanto, é desafiador selecionar o tempo adequado de mistura para fibras10. O comprimento das fibras diminui com o aumento do tempo de mistura e influencia a condutividade térmica, enquanto o tempo de mistura reduzido leva a aglomerados de fibras e impede as propriedades mecânicas do asfalto9. O método de encapsulamento pode fornecer componentes leves do asfalto envelhecido, como aromáticos e saturados e refrescar a capacidade de auto-recuperação do asfalto11,12. No entanto, este é um tratamento único, e os materiais de cura não podem ser reabastecidos após a liberação. Com o desenvolvimento da nanotecnologia, os nanomateriais tornaram-se modificadores promissores para o aprimoramento de materiais à base de asfalto. Aglutinantes asfálticos incorporados com nanomateriais apresentam melhor condutividade térmica e propriedades mecânicas13. O grafeno com excelente desempenho mecânico e alto desempenho térmico é considerado um excelente candidato para melhorar a capacidade de auto-cura do asfalto14,15,16,17. O aumento das propriedades de cicatrização do asfalto modificado pelo grafeno pode ser atribuído ao fato de que o grafeno aumenta a capacidade do aglutinante asfáltico para ser aquecido e produzir transferência de calor dentro do aglutinador asfáltico, o que significa que o asfalto modificado pelo grafeno pode ser aquecido mais rapidamente e atingir até a temperatura mais alta do que o asfalto puro18. O calor gerado pode ser transferido por todo o asfalto modificado pelo grafeno a uma velocidade mais rápida do que isso através do asfalto puro. A região de rachaduras do aglutinante asfáltico pode ser influenciada facilmente e cicatrizada mais rapidamente pelo fluxo de calor com maior temperatura e maior capacidade de aquecimento. A reação de auto-cura começará se a energia igual ou maior do que a energia de ativação de cura existir na superfície de crack do asfalto19. O grafeno pode melhorar o desempenho de cura da ativação térmica e acelerar a taxa de cicatrização do asfalto19,20. Além disso, o grafeno pode economizar energia de aquecimento até 50% durante o processo de cicatrização, o que pode beneficiar a eficiência energética e reduzir os custos de manutenção21. Como um material absorvente de micro-ondas, o grafeno é relatado para melhorar a capacidade de cura do asfalto durante o período de aquecimento de micro-ondas22. Espera-se que a adição do grafeno no asfalto melhore não apenas o desempenho mecânico, mas também a capacidade de auto-cura e economia de energia, o que requer conhecimento aprofundado do mecanismo de auto-recuperação.

A auto-cura na nanoescala deve-se principalmente ao molhar e difundir de moléculas asfálticas nas faces fraturadas23. Como o asfalto consiste em várias moléculas polares e não polares, sua capacidade de auto-recuperação está fortemente relacionada a interações moleculares e movimentos de moléculas asfálticas de diferentes componentes1. No entanto, a pesquisa atual conta principalmente com técnicas experimentais para quantificar propriedades mecânicas macroscópicas, o que causa a falta de informação na mudança de microestruturas e as interações entre moléculas asfálticas ao tentar entender o mecanismo de cura. O mecanismo de reforço do grafeno na capacidade de auto-recuperação do asfalto também não está claro nesta fase. As simulações de dinâmica molecular (MD) desempenham um papel influente na investigação de interações moleculares e movimentos de sistemas nanocompostos, e ligam a deformação microestrutural com interações moleculares e movimentos 24,25,26,27,28,29,30,31 . As simulações de MD tornaram-se cada vez mais populares para analisar comportamentos materiais que não podem ser acessados facilmente por experimentos32,33. Estudos existentes mostraram a viabilidade e disponibilidade de simulações de MD em sistemas asfálticos; a coesão, a adesão, o envelhecimento e as propriedades termomecânicas dos compósitos asfálticos e asfálticos podem ser explorados pelas simulações de MD 34,35,36,37. Os comportamentos de auto-cura do asfalto também podem ser previstos por simulações de MD 38,39,40. Portanto, acredita-se que a investigação utilizando simulações de MD é uma maneira eficaz de entender tanto os mecanismos de auto-cura quanto de reforço.

Os objetivos deste estudo são investigar os comportamentos de auto-cura de nanocompactos asfálticos puros e modificados de grafeno e entender o papel do grafeno na melhoria da capacidade de cicatrização do asfalto através de simulações de MD. As simulações de auto-recuperação de compósitos asfálticos puros e modificados de grafeno são realizadas introduzindo rachaduras nas estruturas iniciais. As capacidades de auto-cura são caracterizadas pelo contorno dos números de átomos, pela reorientação e emaranhamento de moléculas na face fraturada, e pela mobilidade dos componentes asfálticos durante os processos de auto-cura. Ao investigar a eficiência de cura do grafeno em diferentes locais, é revelado o mecanismo de reforço do grafeno contribuindo para as habilidades de auto-cura do asfalto, o que pode ajudar no monitoramento de nanofiladores de forma ideal e, assim, possibilitar a extensão de vida útil dos pavimentos asfálticos. Uma investigação da capacidade de auto-recuperação na escala atomística pode fornecer uma maneira eficiente de desenvolver materiais avançados à base de asfalto para futuras pesquisas.

De acordo com a química asfáltica, o asfalto consiste em vários tipos de hidrocarbonetos e não hidrocarbonetos com diferentes polaridades e formas, que podem ser divididos principalmente nos quatro componentes do asfalto, aromáticos polares, aromáticos de naftalina e saturados41,42. As moléculas de asfalto são relativamente maiores e mais pesadas do que outras moléculas no asfalto, com uma massa atômica média de aproximadamente 750 g/mol e um diâmetro molecular na faixa de 10-20 Å. Tem sido amplamente aceito que o asfalto é composto por grandes núcleos aromáticos que contêm heteroatomas e são cercados por diferentes comprimentos dos gruposalquila 43. Uma molécula de asfalto modificada é construída, como mostrado na Figura 1a. As moléculas de aromáticos polares e aromáticos de nafteno são construídas com base na polaridade e na razão de elementos das moléculas asfálticas, com benzobisbenzothiophene (C18H10S2) representando a molécula aromática polar e 1,7 dimilillamphaphthalene (C12H12) escolhida como a molécula representativa do aromático naphtheno, como mostrado na Figura 1b-c.. N-docosane (n-C 22H46) é construído como mostrado na Figura 1d. Os parâmetros listados na Tabela 1 para moléculas asfálticas são selecionados e utilizados para atender aos critérios desejados, incluindo a fração de massa elementar, a razão átomo e a razão aromática/alifática, do asfalto real dos experimentos41. A mesma razão de massa foi definida em nossos estudos anteriores, e as outras propriedades termomecânicas como densidade, temperatura de transição de vidro e viscosidade estão em boa concordância com dados experimentais do asfalto real36. A estrutura molecular do grafeno aplicada neste estudo é mostrada na Figura 1e. A folha de grafeno adotada neste estudo não tem defeito e nenhuma dobra em comparação com a do caso real, enquanto a folha de grafeno real geralmente tem vários defeitos, como vagas atômicas e defeitos de Stone-Wales44, e algumas das folhas de grafeno podem ser dobradas durante o processo de mistura na matriz asfáltica45. Essas situações imperfeitas não são consideradas neste estudo, pois focamos no efeito do sítio da folha de grafeno nas propriedades de auto-cura e escolhemos-na como a única variável. As variáveis das folhas de grafeno em termos de defeitos e casos dobrados serão o foco de nossos estudos futuros. A relação massa de grafeno para asfalto neste estudo é de 4,75%, que é a situação normal (<5%) para asfalto modificado de grafeno no experimento46,47.

Figure 1
Figura 1: Estrutura química. Os modelos atomísticos de (a) molécula de asfalto (C53H55NOS), (b) molécula aromática de nafteno (C12H12), (c) molécula aromática polar (C18H10S2), (d) molécula saturada (C22H46), (e) grafeno e (f) asfalto puro. Para o modelo asfáltico atomístico, os átomos de carbono, oxigênio, nitrogênio, enxofre e hidrogênio são mostrados em cinza, vermelho, azul, amarelo e branco, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Modelo asfáltico Massa (g/mol) Fórmula química Números de moléculas Massa total (g/mol) Fração de massa (%)
Asfalto 754.04 C53H55NOS 43 32423.72 26
Nafteno aromático 156.22 C12H12 65 10154.3 8
Aromático polar 290.38 C18H10S2 74 21485.16 17
Saturar 310.59 C22H46 205 63670.95 49
Aglutinante asfáltico 387 127734.13 100
Grafeno 6369.28 C525H63 1 6369.28

Tabela 1: Componentes gerais do modelo de asfalto puro e modelo asfáltico modificado por grafeno.

Com relação ao protocolo descrito abaixo, dois tipos de rachaduras em forma de cunha com tamanhos diferentes são inseridas no meio do modelo asfáltico com uma ponta de rachadura sem cortes e duas superfícies de rachaduras paralelas, enquanto a área superior do granéis asfálticos permanece intacta. Duas larguras de crack são escolhidas como 15 Å e 35 Å, como mostrado na Figura 2a-b. A razão para selecionar 15 Å é que a largura da rachadura deve ser maior do que o corte de 12 Å para evitar a auto-cura precoce de moléculas asfálticas durante o processo de equilíbrio enquanto investiga um caso extremo para uma pequena rachadura. A razão para selecionar 35 Å é que a largura de fenda deve ser maior do que o comprimento das moléculas saturadas de 34 Å, a fim de evitar o efeito de ponte. A altura da rachadura é de 35 Å, a mesma da largura da caixa, e a profundidade da rachadura é de 70 Å, o mesmo que o comprimento da caixa. Na situação real, os tamanhos observados de micro-crack podem ser variados na faixa de vários micrômetros a vários milímetros, o que é muito maior do que a escala de comprimento que estamos modelando aqui. Normalmente, a escala de comprimento na simulação de MD é limitada à escala de 100 nm, que ainda é várias ordens de magnitude menor do que o tamanho real da rachadura. No entanto, as rachaduras iniciam na nanoescala e crescem em rachaduras de macroescala com deformação contínua48. A compreensão do mecanismo de auto-recuperação na nanoescala pode ajudar a prevenir o crescimento e a propagação da rachadura na macroescala. Embora os tamanhos de crack selecionados estejam na faixa de nanômetros, os resultados ainda podem ser influentes e aplicáveis para explorar os comportamentos de auto-cura das moléculas de asfalto. Há dois locais para as folhas de grafeno nas áreas de crack: um está em cima da ponta de crack e o outro é perpendicular à superfície da rachadura esquerda. Verificou-se que estas são as posições mais comuns para grafeno em nanocompósposos modificados pelo grafeno com rachaduras49.

Figure 2
Figura 2: Os esquemas de auto-cura para asfalto puro e asfalto modificado por grafeno. O modelo de auto-cura de asfalto puro com uma largura de rachadura de (a) 15 Å e (b) 35 Å. O modelo de auto-cura do asfalto modificado pelo grafeno com a folha de grafeno está localizado (c) na parte superior da ponta de rachadura e (d) perpendicular à superfície da rachadura. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Nas simulações de MD, as interações intramoleculares e intermoleculares nos nanocompósposos asfálticos são descritas pelo Consistente Valence Forcefield (CVFF)50, que funciona bem com materiais à base de asfalto e grafeno. A forma funcional do CVFF é expressa como a seguinte expressão:

Equation 1 1

Aqui, a energia total Etotal é composta pelos termos de energia ligados e os termos energéticos não ligados. As interações ligadas consistem no alongamento do vínculo covalente, da energia de dobra do ângulo de ligação, da rotação do ângulo de torção e das energias impróprias expressas nos primeiros quatro termos. A energia não ligada inclui uma função LJ-12-6 para o termo van der Waals (vdW) e uma função Coulombic para as interações eletrostáticas. A CVFF tem sido amplamente empregada na simulação de materiais asfálticos 51,52. As propriedades físicas e mecânicas simuladas, como densidade, viscosidade e módulo a granel, estão em boa concordância com os dados experimentais, o que demonstra a confiabilidade do CVFF51. A CVFF não é apenas adequada para materiais inorgânicos, mas também tem sido empregada com sucesso em estruturas que consistem em fases orgânicas e inorgânicas, como asfalto-sílica52 e o sistema de epóxi-grafeno53. Além disso, as interações interfaciais entre grafeno e asfalto podem ser caracterizadas pelo CVFF 36,54. Uma vez que a parte principal na seleção do campo de força é determinar a interface asfáltica-grafeno, as interações não ligadas descritas pela CVFF são mais confiáveis, o que também é considerado em nosso estudo anterior36. No geral, o CVFF de campo de força é adotado neste estudo. As cargas parciais para diferentes tipos de átomos são calculadas pelo método atribuído ao campo de força.

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Protocol

1. Construa os modelos atomísticos

  1. Abra o software Materials Studio para criar cinco documentos atomísticos 3D e renomear esses documentos como grafeno, asfalto, aromáticos polares, aromáticos de naftileno e saturados, respectivamente.
  2. Construa o modelo de grafeno criando a célula unitária da folha de grafeno no documento atomístico 3D usando a opção Sketch Atom .
  3. Construa a estrutura final usando a opção Supercell no menu Build > Simetria . Defina o tamanho da folha de grafeno como 40 Å x 40 Å, que é maior que as correntes asfálticas e a largura da rachadura.
  4. Construa e embale os quatro tipos de moléculas asfálticas.
    1. Use a opção Sketch Atom para desenhar as estruturas moleculares de asfalto, aromáticos polares, aromáticos de nafteno e saturados separadamente.
    2. Embale os quatro tipos de moléculas de asfalto na caixa de simulação usando a opção de cálculo nos módulos > menu Célula Amorfo .
  5. Construa a estrutura asfáltica com a rachadura.
    1. Defina a altura da zona de rachadura na dimensão x a mesma altura da caixa de 70 Å e a profundidade da zona de rachadura na dimensão y é metade da altura da caixa como 35 Å.
    2. Coloque dois casos das larguras de rachadura na dimensão z de 15 Å e 35 Å. Exclua as moléculas redundantes nas zonas de rachadura da área de médio para baixo do granéis asfálticos usando a opção Excluir e mantenha a matriz asfáltica na área intermediária inalterada.
  6. Construa a estrutura asfáltica modificada pelo grafeno com a rachadura. Incorpore a folha de grafeno na área superior da ponta de rachadura e na superfície de rachadura esquerda separadamente antes da etapa de embalagem usando o comando Copiar + Colar .
  7. Embale as moléculas de asfalto na caixa de simulação com base nas composições finais listadas na Tabela 1 para construir a estrutura asfáltica modificada pelo grafeno.
  8. Converta o arquivo da estrutura em um arquivo de dados. Salve os arquivos da estrutura como os arquivos da molécula com informações de estrutura (*.car e *.mdf) do Materials Studio. Converta os arquivos da molécula (*.car e *.mdf) em arquivos de dados usando a ferramenta msi2lmp em grande escala, em um simulador atômico/molecular massivamente paralelo (LAMMPS)55 . Leia o arquivo de dados pelo comando read_data no LAMMPS.

2. Realize as simulações

  1. Defina os parâmetros das simulações.
    1. Defina o passo de tempo como 1 fs no arquivo de entrada considerando o equilíbrio de precisão e eficiência das simulações transportadas.
    2. Defina a distância de corte das interações não ligadas como 12 Å, que é menos da metade do comprimento da caixa de simulação em consideração à condição periódica de limite e à eficiência de cálculo.
    3. Empregue o algoritmo de malha de partículas de partículas de partículas (PPPM) para descrever as interações coulombíbicas de longo alcance e definir o erro relativo em forças por átomo calculadas pelo solucionador de longo alcance como 10-5 para alta precisão.
  2. Conserte o perfil do crack. Selecione as moléculas asfálticas no perfil pelo comando Group Molecules em LAMMPS. Aplique as restrições nas moléculas asfálticas usando o comando Fix Spring/Self em LAMMPS para evitar os movimentos das moléculas asfálticas.
  3. Alcançar o equilíbrio
    1. Mantenha toda a caixa de simulação totalmente relaxada após 500 ps sob o conjunto isotérmico-isobárico (NPT) com uma temperatura de 300 K e pressão de 1 atm.
    2. Faça com que o volume asfáltico se equilibre ao valor de densidade desejado das medições experimentais41 de 0,95-1,05 g/cm3 examinando continuamente os valores de temperatura, pressão, densidade e energia usando o comando Térmico .
    3. Verifique a convergência de energia potencial e o deslocamento médio -quadrado (MSD) em todo o sistema para alcançar o estado totalmente relaxado.
  4. Realize o processo de auto-cura.
    1. Coloque toda a caixa de simulação sob o conjunto NPT com uma temperatura de 300 K e pressão de 1 atm.
    2. Remova a restrição das moléculas asfálticas no contorno da zona de rachaduras.
    3. Rastreie e registique o tamanho da caixa de simulação e as coordenadas dos átomos e use o comando Dump para pós-processamento.
    4. Média dos resultados da simulação durante o processo de auto-recuperação ao longo de três configurações independentes com três sementes de velocidade inicial diferentes, a fim de diminuir os erros aleatórios.

3. Pós-processamento

  1. Visualize os comportamentos de auto-cura. Abra a Ferramenta de Visualização Aberta OVITO56 para visualizar o progresso da simulação e, em seguida, abra os arquivos de trajetória no formato lammpstrj gerado pelo LAMMPS55. Registo os instantâneos do processo de auto-cura e rastreie os caminhos das moléculas asfálticas usando o comando Render .
  2. Analise o contorno do número do átomo. Exporte as coordenadas dos átomos para análise de dados e software de gráficos a partir dos arquivos de trajetória produzidos a partir de LAMMPS. Projete as coordenadas dos átomos em todo o sistema para o plano yz. Registo números de átomos em diferentes áreas do plano yz e plote o contorno com cores diferentes.
  3. Analise a mobilidade do átomo e a posição relativa.
    1. Analise a mobilidade do átomo de diferentes componentes asfálticos pelo deslocamento médio-quadrado (MSD) usando o comando Compute msd .
    2. Calcule as posições relativas entre as moléculas de grafeno e asfalto pelas curvas de distribuição radial (RDF) para o sistema de sistemas asfálticos modificados por grafeno com as larguras de crack de 15 Å e 35 Å usando o comando Compute rdf em LAMMPS.
    3. Desenhe as curvas RDF para verificar como a densidade do asfalto varia em função da distância da folha de grafeno.

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Representative Results

O contorno do número do átomo
Os contornos do número átomo de modelos de asfalto puro e asfalto modificados de grafeno no plano yz são mostrados na Figura 3, onde a barra de cor de azul a vermelho exibe números átomos variando de 0 a 28. A Figura 3a-c ilustra o contorno do número átomo das estruturas com 15 Å de largura de crack em nanocompositos puros de asfalto e asfalto modificados pelo grafeno na ponta de fenda e na superfície da rachadura. Para asfalto puro, a cicatrização completa ocorre após cerca de 300 ps. O comportamento de auto-cura parte da área da ponta de crack, já que a área ao redor da ponta de fenda se torna uma forma cega derretida com uma cor azul após 50 ps, e várias moléculas de asfalto conectam as duas superfícies de crack no meio da ponta de crack. A cor verde no contorno apresenta o asfalto a granel, que é o estágio da zona de crack ficando totalmente auto-cura. Em torno de 100 ps, a zona de rachadura é quase fechada com um pequeno vazio deixado, e as cores das superfícies iniciais de crack mudam para verde, o que indica que o processo de auto-cura é concluído nessas áreas; no entanto, ainda há algumas áreas azuis e brancas que permanecem para serem auto-curadas. Após cerca de 300 ps, a maior parte da cor da zona de rachaduras mudou para verde, que é o mesmo que o do granéis asfálticos, indicando que o processo de auto-cicatrização está completo. Como mostrado na Figura 3b, o processo de auto-cura não é significativamente alterado após a adição da folha de grafeno na parte superior da rachadura. O processo de auto-cura leva cerca de 500 ps para ser concluído, e a zona de crack é drasticamente diminuída a 50 ps e quase desaparece a 200 ps. A folha de grafeno na parte superior da ponta de crack parece ter pouca influência no processo de auto-cura da superfície da rachadura. No entanto, inserir o grafeno à esquerda da superfície da fenda pode acelerar significativamente o processo de auto-cura, como mostrado na Figura 3c, onde a linha vermelha no contorno é a folha de grafeno. O período de auto-cura é reduzido para cerca de 200 ps, o que é metade do que o de asfalto puro. A largura da rachadura é significativamente reduzida a 20 ps, e as moléculas de asfalto do volume tendem a se mover para a área de grafeno e encher a área de crack. A zona de crack quase desaparece em torno de 150 ps, embora algumas das áreas na parte inferior permaneçam azuis. Após mais 50 ps do processo de auto-cura, a área de rachaduras está cheia de cor azul, o que indica o fim do processo.

O processo de auto-cura dos modelos com largura de crack de 35 Å leva quase o dobro do que o dos modelos com 15 Å de largura de fenda, enquanto o processo de auto-cura do asfalto puro dura em torno de 1.000 ps. O comportamento de auto-cura começa na área da ponta de crack, e a forma de crack fica encolhida e irregular a 100 ps. A maior parte da zona de crack é curada por 500 ps, com um pequeno vazio deixado no meio da zona de crack. Após a realização do processo de auto-cura por mais 500 ps, a zona de rachaduras é preenchida com moléculas asfálticas até que o processo de auto-cura seja concluído. A folha de grafeno está localizada na parte superior da ponta de crack, como mostra a linha vermelha da Figura 3e. O período de auto-cura é de cerca de 1.100 ps, que é próximo ao de asfalto puro. No entanto, a forma de crack muda de forma diferente. Existem algumas moléculas asfálticas que fazem a ponte entre a área de crack em torno de 400 ps, o que pode avançar no processo de auto-cicatrização. Como mostrado na Figura 3f, os comportamentos de auto-cura podem ser significativamente melhorados quando a folha de grafeno está localizada na superfície da rachadura esquerda. Um fenômeno pode ser observado semelhante ao modelo com 15 Å de largura de crack: algumas das moléculas asfálticas no a granel asfáltico tendem a se mover para a área de grafeno e envolver em torno da folha de grafeno, o que pode diminuir significativamente a área de crack e ajudar o processo de auto-cicatrização. A largura da rachadura é reduzida para cerca de metade da largura inicial de crack em apenas 50 ps, e a maior parte da área de crack é curada em torno de 300 ps. Todo o processo de auto-cura dura cerca de 600 ps e a maior parte da zona de crack desaparece; isso leva apenas metade do tempo tomado por asfalto puro.

Figure 3
Figura 3: O contorno do número do átomo durante o processo de auto-cura. O contorno do número do átomo durante o processo de auto-cura para os modelos com 15 Å de largura de rachadura para (a) asfalto puro, (b) grafeno na ponta da rachadura, e (c) grafeno na superfície esquerda da ponta de rachadura, e os modelos com 35 Å de largura de crack para (d) asfalto puro, (e) grafeno na ponta da rachadura, e (f) grafeno na superfície esquerda da ponta de crack. As caixas pretas pontilhadas referem-se aos locais do grafeno. A barra de cor de azul para vermelho significa os números átomos variando de 0 a 28 no contorno. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Interações moleculares
Para explorar a diferença nos comportamentos de auto-cura entre compósitos asfálticos puros e modificados por grafeno, as interações moleculares e o movimento durante o processo de auto-cura são capturados e analisados, como mostrado na Figura 4. A partir da Figura 4a, pode-se observar que moléculas aromáticas como asfalto, aromáticos polares e aromáticos de nafeno são atraídas pela folha de grafeno através de π-π empilhamento quando o grafeno é colocado na área superior da ponta da rachadura. Essas moléculas asfálticas são capturadas firmemente pela folha de grafeno e não podem facilmente difundir para a vizinhança da zona de crack ou encher a rachadura, o que dificulta o processo de auto-cicatrização até certo ponto. No entanto, os comportamentos de auto-cura surgem principalmente das moléculas asfálticas próximas à superfície da rachadura, e a influência dessas moléculas na área superior precisa de mais exploração. A partir da Figura 4b, observa-se que a molécula aromática polar na superfície do crack é atraída pela folha de grafeno na outra superfície de crack, o que pode aumentar ainda mais a probabilidade da molécula aromática de nafthene próxima de se mover para a área de crack. As moléculas de asfalto recolhidas atraídas pela folha de grafeno podem embalar a zona de crack com uma velocidade maior do que a do asfalto puro e a capacidade de auto-cura do nanocomposto asfáltico modificado pelo grafeno pode ser melhorada. O processo de auto-cura do modelo com largura de crack de 35 Å modificada pelo grafeno na superfície da rachadura esquerda é mostrado na Figura 4c. As moléculas aromáticas polares são atraídas pela folha de grafeno através do empilhamento π-π quando a auto-cura começa, e essas moléculas asfálticas podem rapidamente envolver-se em torno da folha de grafeno e reduzir o espaço da zona de crack, como mostrado na Figura 3f. Isso indica que o grafeno desempenha um papel importante no estágio inicial da auto-cura quando está localizado ao redor da superfície da rachadura. Um instantâneo auto-curativo de asfalto puro com 15 Å de largura de crack é mostrado na Figura 4d. Pode-se observar claramente que a estrutura da cadeia de saturação é importante para o processo de auto-cura, uma vez que as moléculas podem ficar emaranhadas entre si e fazer a ponte entre a superfície da rachadura. Esse efeito de ponte entre moléculas saturadas e as cadeias laterais de moléculas de asfalto pode aumentar significativamente a eficiência da embalagem e diminuir o período de auto-cura. Observa-se também que moléculas asfálticas com anéis poliaromáticos, como asfalto, aromáticos polares e aromáticos de nafteno, reorientam-se na superfície da rachadura por π-π empilhamento. Essa reorientação permite que as moléculas de asfalto se movam em direção paralela e contribui para o molhar a rachadura, que fecha ainda mais as superfícies de crack.

Figure 4
Figura 4: Detalhes da interação não-bonda de nanocompositos asfálticos puros e modificados por grafeno durante o processo de auto-cura. Para o modelo com (a) 15 Å de largura de fenda e grafeno localizado na parte superior da ponta de fenda, moléculas aromáticas no asfalto são atraídas pela folha de grafeno através de π-π empilhamento. Para o modelo com (b) 15 Å de largura de fenda e grafeno no lado esquerdo da superfície de crack, as moléculas aromáticas polares na outra superfície de crack movem-se para a superfície do grafeno devido a fortes interações aromáticas. Para o modelo com (c) 35 Å de largura de fenda e grafeno no lado esquerdo da superfície da rachadura, as moléculas aromáticas polares são atraídas pela folha de grafeno e, portanto, se projetam da superfície da rachadura. Para o modelo com (d) 15 Å de largura de fenda e asfalto puro, há uma reorientação de moléculas aromáticas na superfície da rachadura e uma ponte de corrente e emaranhamento de moléculas saturadas durante o processo de auto-cura. As caixas pontilhadas azuis e as caixas pontilhadas roxas na figura indicam os comportamentos de empilhamento e reorientação π π, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A reorientação de moléculas aromáticas, incluindo asfalto, aromáticos polares e aromáticos de naftileno ao redor da superfície da rachadura durante o processo de auto-cura, é mostrada na Figura 5. A Figura 5a mostra que as moléculas rastreadas antes da auto-cura são quase perpendiculares entre naftenos aromáticos e aromáticos polares e entre asfalto e aromáticos polares. A distância entre asfalto e as outras duas moléculas aromáticas é de 13,3 Å, que é maior do que a distância entre as moléculas aromáticas. Após a auto-cura para 40 ps, a molécula aromática de nafeno se difunde ao espaço entre asfalto e aromáticos polares e desempenha um papel importante na interação com as outras duas moléculas. Na Figura 5b, pode-se observar que a distância e o ângulo entre a molécula aromática polar e a molécula aromática de nafteno são de 4,6 Å e 89°, o que indica uma interação empilhada em forma de π em π em forma de T entre as duas moléculas aromáticas. O ângulo e a distância entre o nafteno aromático e o asfalto diminuem para 32° e 4,6 Å, respectivamente. Isso indica que as interações não-vinculantes entre os aromáticos de nafé e o asfalto fazem com que eles girem e ajustem a orientação gradualmente, contribuindo para o molhar da superfície da rachadura. As orientações das três moléculas são quase paralelas após 50 ps, pois os ângulos entre elas são de 26° e 35°, como mostrado na Figura 5c. A distância entre eles diminui abaixo de 4,0 Å, o que indica que o empilhamento π-π facilita a estrutura paralela e aproxima as moléculas aromáticas. No geral, a reorientação na superfície da rachadura promove a interação das moléculas asfálticas, o que encurta a distância intermolecular e aumenta a atração entre elas. A reorientação e difusão de moléculas asfálticas auxiliam ainda mais no enchimento da zona de rachaduras e aceleram o processo de auto-cicatrização.

Figure 5
Figura 5: A reorientação das moléculas asfálticas durante o processo de auto-cura. Ângulos e distâncias entre moléculas asfálticas (a) antes da auto-cura, (b) após 40 ps, e (c) a 50 ps. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Mobilidade dos componentes asfálticos
Para entender os papéis de diferentes componentes quantitativamente nos comportamentos de auto-cura do asfalto, calcula-se o DMS da massa central para composto asfáltico para representar a mobilidade transitória durante o processo de auto-cicatrização, que se expressa por:

Equation 2

onde ri(t) é o vetor de posição da partícula i no tempo t, e o suporte angular indica o valor médio da distância de viagem. Os valores MSD de asfalto puro e asfalto modificado por grafeno são rastreados e mostrados na Figura 6. A Figura 6a-c mostra o MSD do composto asfáltico com uma rachadura de largura de 15 Å, enquanto aqueles com uma rachadura de largura de 35 Å são mostrados na Figura 6d-f. Pode-se observar que os saturados são o componente mais ativo nos comportamentos de auto-cura do asfalto, enquanto o asfalto é o menos ativo. Há duas razões possíveis: uma se relaciona com a massa molecular, pois os asfaltos têm a maior massa molecular no asfalto, e são menos capazes de se mover e encher a zona de crack. A outra é a estrutura em forma de cadeia de saturados, que têm maior mobilidade do que outros componentes e são mais propensos a se envolver e esticar na superfície da rachadura. A mobilidade dos aromáticos polares é maior do que a dos aromáticos de nafé; isso é por causa da maior massa molecular e polaridade dos aromáticos polares. Os átomos polares em aromáticos polares, como átomos de enxofre, podem formar uma ligação H com asfalto, e a mobilidade pode ser impedida. As figuras msd para asfalto modificado de grafeno na área superior da ponta de crack e a superfície de rachadura esquerda são mostrados na Figura 6b e Figura 6c. Pode-se ver na Figura 6b que o MSD do grafeno é inferior aos componentes asfálticos, uma vez que o grafeno ocupa o maior volume e tem a maior massa molecular nos nanocompactos asfálticos. Os valores de MSD dos componentes asfálticos são relativamente inferiores aos do asfalto puro; isso porque as interações entre essas moléculas e o grafeno dificultam a mobilidade das moléculas asfálticas e retardam o processo de auto-cura. No entanto, quando o grafeno é colocado na superfície da rachadura esquerda, as mobilidades de aromáticos polares, aromáticos de nafteno e grafeno melhoram significativamente em comparação com a do asfalto puro. Isso indica que o grafeno desempenha um papel importante no processo de auto-cura e que suas interações com moléculas aromáticas no asfalto contribuem para o processo de auto-cura do asfalto. Para a caixa de fissura de largura de 35 Å na Figura 6d, o MSD de asfalto puro segue uma tendência semelhante à do caso com 15 Å de largura de crack, como o MSD de asfalto, aromáticos polares, nafteno aromáticos e saturados variam de forma crescente. Ao inserir o grafeno na área superior da ponta de rachadura, o MSD de saturados diminui em cerca de 15 Å2. A existência de folhas de grafeno em massa asfáltica influencia verticalmente o espaço móvel das moléculas saturadas e impede as rotas de auto-cura. A partir da Figura 6f, observa-se que os valores msd de asfalto, aromáticos polares e aromáticos de naftheno são todos melhorados em comparação com o asfalto puro, enquanto o MSD de saturados diminui ligeiramente. O grafeno é altamente responsável pela melhoria do processo de auto-cura, especialmente com moléculas que contêm aromáticos. As interações de empilhamento π-π entre grafeno e asfalto, aromáticos polares e aromáticos de nafteno melhoram a mobilidade dessas moléculas asfálticas e ajudam a formar uma estrutura de embalagem estável na zona de rachaduras, o que acelera o processo de auto-cura do asfalto.

Figure 6
Figura 6: MSD de asfalto puro e moléculas asfálticas modificadas por grafeno durante o processo de auto-cura. Para os modelos com 15 Å de largura de fenda, MSD de (a) asfalto puro e asfalto modificado por grafeno em (b) a parte superior da ponta de rachadura e (c) a superfície esquerda é apresentada. Para os modelos com 35 Å de largura de fenda, MSD de (d) asfalto puro e asfalto modificado de grafeno em (e) a parte superior da ponta de rachadura e (f) a superfície de rachadura esquerda é apresentada. O eixo X representa o tempo da simulação e o eixo Y representa os valores de MSD dos componentes asfálticos e da molécula de grafeno durante o processo de auto-cura. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Locais moleculares após a auto-cura
Para explorar os locais relativos entre as moléculas de grafeno e asfalto durante o processo de auto-cura, as funções de distribuição radial entre grafeno e moléculas aromáticas no asfalto são calculadas e mostradas na Figura 7. A Figura 7a-c mostra o RDF do modelo com 15 Å de largura de rachadura antes e depois do processo de auto-cura. Pode-se ver que as moléculas aromáticas no asfalto se aproximam da folha de grafeno após o processo de auto-cura, especialmente as moléculas aromáticas polares e moléculas aromáticas de naftheno. Como indicado na Figura 4, há fortes interações de empilhamento π-π entre grafeno e moléculas aromáticas como asfalto, aromáticos polares e aromáticos de nafteno, que fazem com que a folha de grafeno atraia essas moléculas em direção à superfície da rachadura. No entanto, a diferença nos valores g(r) do asfalto antes e depois da auto-cura não é tão significativa quanto a dos aromáticos polares e aromáticos de nafteno. Isso ocorre porque as moléculas de asfalto obtêm uma massa molecular e volume maiores do que as moléculas aromáticas polares e nafteno, tornando mais difícil para elas girar e difundir para a área de grafeno e preencher a zona de crack. Os valores g(r) aumentados entre as moléculas aromáticas de grafeno e polar ou nafteno dentro de 4,0 Å estão dentro da distância típica de interação para π-π empilhamento, e os valores g(r) aumentados além de 4,0 Å são devido à combinação de interações moleculares e à eliminação da zona de rachaduras. Um RDF do modelo com 35 Å de largura de fenda antes e depois do processo de auto-cura é mostrado na Figura 7d-f. Os valores g(r) entre grafeno e asfalto além de 4,0 Å através do processo de auto-cura são mais óbvios do que os da largura de crack de 15 Å; isso porque o asfalto tem mais espaço para difundir e mover-se em direção ao grafeno na zona de rachadura maior. Os valores g(r) dentro de 4.0 Å são mais significativos para os aromáticos de nafteno do que os para aromáticos polares; isso se deve à menor massa molecular e melhor capacidade de difusão de moléculas aromáticas de naféne.

Figure 7
Figura 7: Os valores de RDF entre o grafeno na superfície da rachadura esquerda e os componentes asfálticos. O RDF valoriza entre o grafeno na superfície da rachadura esquerda e os componentes asfálticos de (a) asfalto, (b) aromáticos polares, (c) aromáticos de nafthene do modelo com 15 Å de largura de crack, (d) asfalto, (e) aromáticos polares, e (f) aromáticos de nafteno dos modelos com 35 Å de largura de fenda. O eixo X representa a distância das duas moléculas e o eixo Y representa os valores RDF. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Os passos críticos dentro da parte do Protocolo são os seguintes: passo 1.4 - Construir e embalar os quatro tipos de moléculas asfálticas; passo 1.5 - Construir a estrutura asfáltica com a rachadura; passo 2.3 - Alcançar o equilíbrio; passo 2.4 - Realizar o processo de auto-cura. Essas etapas indicam o conteúdo mais coeso e importante do protocolo. Para criar as formas desejadas da rachadura inserida, o processo de embalagem é modificado em comparação com a embalagem normal no Materials Studio. A forma de crack é criada e preenchida dentro da caixa de simulação, e então as moléculas de asfalto são embaladas na outra parte da caixa de simulação. Depois disso, as moléculas asfálticas redundantes são suprimidas em torno do contorno de rachaduras criado. A limitação das simulações de MD é que a escala de tempo e comprimento são relativamente pequenas na ordem de nanossegundos e nanômetros em comparação com métodos tradicionais, como o método de elemento finito, no qual as simulações podem ser analisadas até segundos e metros57. O significado deste método é que ele pode revelar o mecanismo de auto-recuperação do asfalto e do asfalto modificado pelo grafeno no nível atomístico capturando a evolução da nanoestrutura, as interações moleculares e os movimentos, que são difíceis de serem acessados pelas abordagens tradicionais58. O mecanismo de auto-recuperação pode ajudar pesquisadores e engenheiros a aplicar nanomateriais no local apropriado e melhorar o asfalto de forma eficiente. A aplicação futura desta técnica é que ela pode monitorar a estrutura molecular de forma decente e ajudar a investigar o efeito de outras variáveis de nanomateriais, como defeitos, estruturas dobradas e grupos funcionais. Esta técnica também pode ser combinada com outras abordagens para observar os comportamentos de auto-cura dos nanocompartos asfálticos a partir de um aspecto multiescala. As propriedades de auto-cura do asfalto podem ser entendidas minuciosamente e melhoradas significativamente no futuro.

O grafeno é fundamental nas mudanças e migração da interface e componentes durante o processo de auto-recuperação. Sem inserir a folha de grafeno, o saturado desempenha um papel importante no processo de auto-cura, uma vez que a estrutura de cadeia de saturados pode se emaranhar entre si e fazer a ponte entre a superfície da rachadura. O efeito de ponte entre moléculas saturadas e as cadeias laterais de moléculas de asfalto pode aumentar fortemente a densidade de embalagem e diminuir o tempo do processo de auto-cura. Além disso, moléculas asfálticas com anéis poliaromáticos, como asfalto, aromáticos polares e aromáticos de nafteno, reorientam-se na superfície da rachadura por π-π empilhamento, o que faz com que as moléculas de asfalto se movam em direção paralela e contribuem para o molhar e fechar as superfícies de crack. Com a inserção do grafeno, as moléculas aromáticas polares de um lado da superfície da rachadura são atraídas pela folha de grafeno do outro lado da superfície de crack, o que pode aumentar ainda mais a possibilidade de moléculas aromáticas de nafteno próximas se movendo para a área de crack. As moléculas asfálticas recolhidas atraídas pela folha de grafeno podem preencher a zona de crack com uma velocidade maior do que a do asfalto puro, e a capacidade de auto-cura é significativamente melhorada no nanocomposite asfáltico modificado pelo grafeno. As moléculas de asfalto têm maior massa molecular e volume na matriz asfáltica, o que as torna difíceis de difundir para a parte do grafeno e preencher a zona de rachaduras. Os aromáticos de naftileno têm movimento mais rápido do que os aromáticos polares, o que se deve à menor massa molecular e à melhor capacidade de difusão das moléculas aromáticas de naftheno39.

Neste estudo, as propriedades de auto-cura de nanocompósposas asfálticas puras e modificadas de grafeno são investigadas em consideração a diferentes larguras de crack e locais de grafeno utilizando simulações de MD. Observa-se que o comportamento de auto-cura começa a partir da área da ponta de crack, com a ponta afiada ficando cega e difusa. Moléculas asfálticas no limite da rachadura podem se difundir para diminuir a largura da rachadura e continuar preenchendo a lacuna. O processo completo de auto-cura é confirmado quando a densidade atômica da área de crack é a mesma do volume asfáltico. Simulações de MD podem ajudar a revelar as interações moleculares e o movimento da corrente na matriz asfáltica durante o processo de auto-cura. O emaranhamento e a reorientação das moléculas asfálticas desempenham um papel importante nos comportamentos de auto-cura. A taxa de auto-cura com a incorporação da folha de grafeno é determinada por sua localização. Para a folha de grafeno localizada na área da ponta de fenda, o movimento das moléculas asfálticas é dificultado e não pode se difundir facilmente na zona de rachaduras. Para a folha de grafeno ao lado da zona de rachaduras, as moléculas de asfalto são atraídas pela folha de grafeno devido à interação de empilhamento π-π e facilmente se reúnem na zona de rachaduras, indicando uma taxa crescente de auto-recuperação. Os resultados da simulação mostram que a modificação do asfalto por nanomateriais pode melhorar tanto as propriedades termomecânicas quanto as auto-curativas, que tem grande potencial para o desenvolvimento de pavimentos asfálticos inteligentes. A compreensão fundamental do mecanismo de auto-recuperação em nanocompostos asfálticos baseados em simulações de MD pode facilitar a manipulação eficiente de nanomateriais no local ideal, o que é benéfico para o design avançado de nanocompactas asfálticas com propriedades e funções desejadas.

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Disclosures

Os autores não têm conflitos de interesse para declarar.

Acknowledgments

Os autores agradecem o apoio do City University of Hong Kong Strategic Research Grant com o Projeto No. 7005547, o apoio do Conselho de Bolsas de Pesquisa (RGC) da Região Administrativa Especial de Hong Kong, China, com o Projeto Nº. R5007-18, e o apoio do Comitê de Inovação em Ciência e Tecnologia de Shenzhen sob a concessão JCYJ20170818103206501.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Atomistic models of asphalt and graphene/Materials Studio BIOVIA Materials Studio 8.0 The atomistic models are built for molecular dynamics simulations.
Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator Package Sandia National Laboratories lammps-stable20 The equilibrium is achieved under NPT ensemble, and the atomistic models get self-healed.
OVITO Materials Science Department of Technische Universität Darmstadt, Germany ovito-basic-3.1.0-win64 The self-healing behaviors of the atomistic models are visualized.
Origin OriginLab Origin 2018 64Bit The contours of the atom numbers of the trajectory are drawn and analyzed.

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Engenharia Questão 183 asfalto grafeno simulações de dinâmica molecular auto-cura
Asfalto avançado de auto-cura reforçado por estruturas de grafeno: uma visão atomística
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Nie, F., Jian, W., Lau, D. Advanced Self-Healing Asphalt Reinforced by Graphene Structures: An Atomistic Insight. J. Vis. Exp. (183), e63303, doi:10.3791/63303 (2022).

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